第 1 章 計算機系統(tǒng)概論-44

第

1章計算機系統(tǒng)概論

3/18/20241

?第6版2010.09顧一禾本章學習內(nèi)容計算機的發(fā)展歷史計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機的軟件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)計算機的特點和性能指標計算機的分類與應(yīng)用3/18/202421.1計算機的發(fā)展歷史

1.1.1計算機硬件的發(fā)展通常將計算機的發(fā)展按“代”劃分為五個發(fā)展階段。

1.

電子管時代（20世紀40年代中期～50年代中期）2.晶體管時代（20世紀50年代末期～60年代中期）3.中、小規(guī)模集成電路時代（20世紀60年代中期～70年代中期）4.超大規(guī)模集成電路時代（20世紀70年代中期～目前）3/18/20243電子管時代（1946～1959）運算速度：5千～4萬（次/秒）3/18/20244USAENIAC3/18/20245晶體管時代（1957～1964）運算速度：幾十萬～百萬（次/秒）3/18/20246第一臺小型計算機PDP-8

3/18/20247中小規(guī)模集成電路時代（1965～1975）

運算速度：百萬～幾百萬（次/秒）3/18/20248采用了Intel8080的個人電腦Altair88003/18/20249超大規(guī)模集成電路時代（1975～目前）運算速度：幾百萬～幾千萬億（次/秒）這一階段的計算機按規(guī)模分為巨型機、大型機、小型機、微型機和便攜機。3/18/2024102010全球超級計算機500強2010年5月31日在德國漢堡舉行的國際超級計算機大會上評出了最新全球超級計算機500強。位于美國橡樹嶺國家實驗室，由美國Cray公司制造的超級計算機

“美洲虎”(Jaguar)排名首位。由曙光集團天津產(chǎn)業(yè)基地制造的中國超級計算機“曙光星云”(DawningNebulae)位列第二。3/18/2024112010年全球超級計算機前10強.doc/3/18/202412美洲虎(Jaguar)美國Cray公司制造、位于美國橡樹嶺國家實驗室計算科學中心的超級計算機。是現(xiàn)役世界上執(zhí)行非機密研究最快的超級計算機。美洲虎的計算能力為每秒1.759千萬億次(petaflop)，理論計算峰值為每秒2331萬億次。美洲虎配置了AMD公司的最新六核皓龍?zhí)幚砥鳎矒碛?24256個處理核心，每個核心搭配2GB內(nèi)存，每個完整的計算節(jié)點由12個處理核心和16GB共享內(nèi)存組成，整套系統(tǒng)擁有300TB內(nèi)存、10PB(10000TB)硬盤。3/18/202413美洲虎3/18/202414美洲虎3/18/202415曙光星云

高性能計算機系統(tǒng)由曙光信息產(chǎn)業(yè)（北京）有限公司、中國科學院計算技術(shù)研究所、國家超級計算深圳中心共同研制，由曙光集團天津產(chǎn)業(yè)基地制造的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的超級計算機。星云的計算能力為每秒1.271千萬億次(petaflop)，理論計算峰值為每秒2984.30萬億次。星云采用曙光TC3600模塊化刀片服務(wù)器作為節(jié)點，處理器是32nm工藝的六核至強X5650，并采用了NvidiaTeslaC2050GPU做協(xié)處理，共有120640個處理核心。。是亞洲和中國第一臺、世界第三臺實測性能超千萬億次的超級計算機。3/18/202416曙光“星云”

高性能計算機系統(tǒng)3/18/2024173/18/202418在本屆500強榜單中，美國領(lǐng)導(dǎo)著世界HPC（高性能計算）的最新潮流。500強中美國282臺歐洲144臺亞洲57臺（其中中國24臺、日本18臺、印度5臺）其他地區(qū)17臺3/18/2024191.1.2計算機軟件的發(fā)展1.匯編語言階段（20世紀50年代）2.程序批處理階段（20世紀60年代）3.分時多用戶階段（20世紀70年代）4.分布式管理階段（20世紀80年代）5.軟件重用階段（20世紀90年代）6.Web服務(wù)階段（21世紀初期）

3/18/2024201.2計算機硬件系統(tǒng)—個完整的計算機系統(tǒng)由硬件和軟件兩大系統(tǒng)組成。計算機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)組成一臺計算機的各種物理裝置以及它們的設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)軟件系統(tǒng)泛指計算機系統(tǒng)中使用的各種程序和文件3/18/2024211.2.1計算機硬件系統(tǒng)的功能部件

計算機的基本功能主要包括:數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)傳送和操作控制等。為了實現(xiàn)這些基本功能，計算機必須要有相應(yīng)的功能部件（硬件）承擔有關(guān)工作。3/18/2024223/18/202423計算機硬件系統(tǒng)主要包括計算機的五大部件以及將它們組織成計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。3/18/2024241.輸入設(shè)備輸入設(shè)備的主要功能：將程序和數(shù)據(jù)以機器所能識別和接受的信息形式輸入到計算機內(nèi)。常見的輸入設(shè)備有：鍵盤、掃描儀、語音輸入設(shè)備、手寫筆、觸摸屏、鼠標、數(shù)碼攝像設(shè)備等。3/18/2024252.輸出設(shè)備輸出設(shè)備的主要功能：將計算機處理的結(jié)果以人們所能接受的信息形式或其它系統(tǒng)所要求的信息形式輸出。最常見的輸出設(shè)備有：顯示器、打印機、繪圖儀、音箱等。計算機的輸入、輸出設(shè)備簡稱為I/O設(shè)備。3/18/202426存儲器是計算機的存儲部件，用于存放程序和數(shù)據(jù)，是計算機存儲信息的核心。存儲器可分為：

主存儲器(也稱內(nèi)存儲器，簡稱內(nèi)存、主存)

CPU能夠直接訪問的存儲器

輔助存儲器(也稱外存儲器，簡稱外存、輔存)

CPU不能直接訪問的大容量、速度較慢的存儲器。輔助存儲器幫助主存記憶更多的信息，輔助存儲器中的信息必須調(diào)入主存后，才能為CPU所使用。

3.存儲器3/18/202427主存分為若干個存儲單元。每個單元都有自己唯一的地址編碼。每個主存單元的長度依機器而定。通常是一個字節(jié)或字節(jié)的若干倍。存儲器的訪問方式⑴按地址進行訪問如果需要對存儲器某個單元進行讀/寫操作，必須首先給出被訪問的存儲單元的地址碼。⑵按內(nèi)容進行訪問按所需內(nèi)容對存儲器的多個單元同時進行訪問。能夠進行按內(nèi)容訪問的存儲器稱為相聯(lián)存儲器。3/18/202428主存的基本的組成3/18/202429存儲體：存放二進制信息的主體地址寄存器：存放所要訪問的存儲單元的地址碼，由它經(jīng)地址譯碼找到被選的存儲單元。數(shù)據(jù)寄存器：主存與其它部件的接口。用于暫存從存儲器讀出(取出)或向存儲器中寫入(存入)的信息?？刂七壿嫞河糜诋a(chǎn)生存儲器操作所需各種時序信號。3/18/202430運算器是計算機的執(zhí)行部件，用于完成算術(shù)邏輯運算以及對數(shù)據(jù)的加工處理。運算器的核心是算術(shù)邏輯部件ALU(ArithmeticandLogicalUnit)。運算器中設(shè)有若干寄存器，用于暫存操作數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。由于寄存器往往兼?zhèn)涠喾N用途，如用作累加器、變址寄存器、基址寄存器等，所以通常稱為通用寄存器。4．運算器3/18/202431運算器的簡單框圖3/18/202432控制器是整個計算機的指揮中心。用于控制整個計算機系統(tǒng)中的各部件有條不紊地進行工作。計算機控制器是根據(jù)事先編好的程序進行指揮的。程序：就是解題步驟，控制器按著事先安排好的解題步驟，控制計算機各個部件有條不紊地自動工作。程序按指令序列的形式存放在存儲器中，控制器依次讀出存儲器中存放的程序指令實施控制。這種工作方式稱為存儲程序方式。5．控制器(CU)重點3/18/2024331.2.2馮·諾依曼計算機

存儲程序概念是美國數(shù)學家馮·諾依曼（JohnvonNeumann）于1946年首先提出來的，它奠定了現(xiàn)代計算機的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。盡管幾十年來，計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)生許多重大變革，但存儲程序的概念仍是普遍采用的結(jié)構(gòu)原則，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的計算機仍屬于馮·諾依曼的結(jié)構(gòu)格式。3/18/202434JohnvonNeumann3/18/202435馮·諾依曼思想的基本要點：(1)采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令指令是程序的基本單位，程序是若干指令的有序集合。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機中，指令與數(shù)據(jù)均以二進制代碼的形式同存于存儲器中。兩者在存儲器中的地位相同，均可按地址訪問。

指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼表示指令的操作性質(zhì)，地址碼表示操作數(shù)在存儲器中的位置。1.存儲程序思想

3/18/202436(2)采用存儲程序方式存儲程序方式：在用計算機解題之前，事先編制好程序，并連同所需的數(shù)據(jù)預(yù)先存入主存儲器中。在解題過程(運行程序)中，由控制器按照事先編好并存入存儲器中的程序自動地、連續(xù)地從存儲器中依次取出指令并執(zhí)行，直到獲得所要求的結(jié)果為止。存儲程序方式是馮·諾依曼思想的核心，是計算機能高速自動運行的基礎(chǔ)。3/18/202437(3)計算機由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運算器、存儲器和控制器五大部件組成。

CPU：運算器和控制器的統(tǒng)稱。計算機主機：CPU與主存儲器(內(nèi)存)的統(tǒng)稱。I/O設(shè)備：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、外存儲器的統(tǒng)稱為計算機的外部設(shè)備，簡稱為I/O設(shè)備。3/18/2024382.早期的馮·諾依曼計算機

在微處理器問世之前，運算器和控制器是兩個分離的功能部件，加上當時存儲器還是以磁芯存儲器為主，計算機存儲的信息量較少，因此早期馮·諾依曼提出的計算機結(jié)構(gòu)是以運算器為中心的，其它部件都通過運算器完成信息的傳遞。

3/18/202439早期的馮·諾依曼計算機組織結(jié)構(gòu)圖

3/18/2024403.現(xiàn)代計算機組織結(jié)構(gòu)

隨著微電子技術(shù)的進步，人們成功地研制出了微處理器。微處理器將運算器和控制器兩個主要功能部件合二為一，集成到一個芯片里。同時隨著半導(dǎo)體存儲器代替磁芯存儲器，存儲容量成倍地擴大，加上需要計算機處理、加工的信息量與日俱增，以運算器為中心的結(jié)構(gòu)已不能滿足計算機發(fā)展的需求，甚至會影響計算機的性能。為適應(yīng)發(fā)展的需要，現(xiàn)代計算機組織結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐源鎯ζ鳛橹行摹?/p>

3/18/2024413/18/202442現(xiàn)代計算機的基本結(jié)構(gòu)仍然遵循馮·諾依曼思想3/18/2024431.3計算機軟件系統(tǒng)

軟件的作用⑴軟件在計算機系統(tǒng)中起著指揮和管理的作用。⑵軟件是計算機用戶和硬件的接口界面。⑶軟件是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要依據(jù)。

在計算機系統(tǒng)中，各種軟件的有機組合構(gòu)成了軟件系統(tǒng)?；镜能浖到y(tǒng)應(yīng)包括系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件兩大類。3/18/2024441.3.1系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是一組保證計算機系統(tǒng)高效、正確運行的基礎(chǔ)軟件，通常作為系統(tǒng)資源提供給用戶使用。系統(tǒng)軟件主要包括：操作系統(tǒng)語言處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)分布式軟件系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)

各種服務(wù)程序3/18/2024451.3.2應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是指用戶為解決某個應(yīng)用領(lǐng)域中的各類問題而編制的程序。應(yīng)用軟件包括各種科學計算類程序、工程設(shè)計類程序、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理程序、情報檢索程序、企業(yè)管理程序、生產(chǎn)過程控制程序等。由于計算機已應(yīng)用到各種領(lǐng)域，因而應(yīng)用程序是多種多樣，極其豐富的。目前應(yīng)用軟件正向標準化、集成化方向發(fā)展，許多通用的應(yīng)用程序可以根據(jù)其功能組成不同的應(yīng)用軟件包供用戶選擇使用。3/18/2024461.4計算機系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)

1.4.1硬件與軟件的關(guān)系

計算機系統(tǒng)由硬件、軟件兩大部分組成。硬件和軟件是緊密相關(guān)、缺一不可的整體。硬件是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。沒有硬件，再好的軟件也無法運行；沒有強有力的硬件支持，就不可能編制出高質(zhì)量、高效率的軟件；沒有好的硬件環(huán)境，一些先進的軟件也無法運行。軟件是計算機系統(tǒng)的靈魂。沒有軟件，再好的硬件也毫無用途；沒有高質(zhì)量的軟件，硬件也不可能充分發(fā)揮它的效率。3/18/202447雖然在一個具體的計算機系統(tǒng)中，硬件、軟件是緊密相關(guān)、缺一不可的，但是對某一具體功能來說，可以用硬件實現(xiàn)，也可以用軟件實現(xiàn)，這就是硬件、軟件在邏輯功能上的等效。硬件、軟件在邏輯功能上等效3/18/202448硬件、軟件在邏輯功能上的等效任何由硬件實現(xiàn)的操作，在原理上，均可用軟件來實現(xiàn)；同樣，任何由軟件實現(xiàn)的操作，在原理上都可硬化由硬件來實現(xiàn)。例：乘除運算早期均由軟件編程實現(xiàn)?，F(xiàn)已由硬件乘、除法器實現(xiàn)。例：在微小型機中，為了降低系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本，將一些在巨型、大型機中由硬件實現(xiàn)的功能由軟件編程實現(xiàn)。3/18/202449硬件的軟化：將由硬件實現(xiàn)的功能用軟件實現(xiàn)。軟件的硬化：將由軟件實現(xiàn)的功能用硬件實現(xiàn)。固件：載有在用戶環(huán)境中不能加以改變的程序及數(shù)據(jù)的器件。將復(fù)雜且常用的程序?qū)懭胫蛔x存儲器就構(gòu)成了固件。固件從功能上看是軟件，但從形態(tài)上看是硬件。例如，PC機中的主板BIOS、顯卡BIOS，網(wǎng)卡BOOTROM等都屬于固件。3/18/202450硬件軟件的功能分配在設(shè)計一個計算機系統(tǒng)時，必須根據(jù)設(shè)計要求、現(xiàn)實技術(shù)與器件條件，首先確定哪些功能直接由硬件實現(xiàn)，哪些功能通過軟件實現(xiàn)。這就是硬件、軟件的功能分配。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，可以使軟件逐漸“固化”乃至“硬化”。所以設(shè)計計算機系統(tǒng)時必須首先解決硬、軟件的功能分配問題。3/18/2024511.4.2計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代的計算機是一個硬件與軟件組成的綜合體。由于面對的應(yīng)用范圍越來越廣，所以必須有復(fù)雜的系統(tǒng)軟件和硬件的支持。由于軟件、硬件的設(shè)計者和使用者是從不同的角度，以各種不同的語言來對待同一個計算機系統(tǒng)。因此，他們各自看到的計算機系統(tǒng)的屬性及對計算機系統(tǒng)提出的要求也就不一樣。如硬件設(shè)計人員要求機器能夠高速有效地執(zhí)行機器指令所規(guī)定的各種操作。而高級語言使用者則關(guān)心機器能否提供高效方便的編程環(huán)境。3/18/202452對不同的對象而言，一個計算機系統(tǒng)就成為實現(xiàn)不同語言的、具有不同屬性的機器。假如在軟件、硬件之間，系統(tǒng)設(shè)計者和使用者之間不能很好地協(xié)調(diào)、配合，就會大大影響系統(tǒng)的性能與效率。3/18/202453計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)根據(jù)從各種角度所看到的機器之間的有機關(guān)系，可以將計算機系統(tǒng)分為多級層次結(jié)構(gòu)。目的：分清各級層次結(jié)構(gòu)彼此之間的界面，明確各自的功能，以便構(gòu)成合理、高效的計算機系統(tǒng)。3/18/2024543/18/202455第0級硬件操作時序?qū)嶋H的硬件層，是硬件組成的實體。第1級微程序機器層

實際的硬件層，它由機器硬件直接執(zhí)行微指令。第2級傳統(tǒng)機器語言層

實際的硬件層，由微程序解釋機器指令系統(tǒng)。第3級操作系統(tǒng)層

由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。操作系統(tǒng)程序是由機器指令和廣義指令組成的。其中廣義指令是為擴展機器功能而設(shè)置的，是由操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令。這一層也稱為混合層。3/18/202456第4級匯編語言層

匯編語言是一種符號形式語言，用戶借此可編寫匯編語言源程序。這一層由匯編程序支持和執(zhí)行。第5級高級語言層

高級語言層為方便用戶編寫各類應(yīng)用程序而設(shè)置的。它是面向用戶的。該層由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行。第

6級應(yīng)用語言層

應(yīng)用語言層是直接面向某個應(yīng)用領(lǐng)域，為方便用戶編寫該應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用程序而設(shè)置的。由相應(yīng)的應(yīng)用軟件包支持和執(zhí)行。

3/18/202457高級語言程序

C＝A＋B匯編語言程序

MOVAL，A

ADDAL，B

MOVC，AL機器語言程序

1000H000000011001H000000101002H000000000000H101000000001H000000000002H000100000003H000000100004H000000010005H000100000006H100010000007H000001100008H000000100009H000100003/18/202458在多級層次結(jié)構(gòu)中，第0、1、2級是實機器，上面幾層均為虛機器（虛擬機）。虛機器：是指用軟件技術(shù)構(gòu)成的機器。虛機器建立在實機器的基礎(chǔ)上，利用軟件技術(shù)擴充實機器的功能。從整體看就好像有了一臺更強功能的機器，所以稱它為虛機器。機器語言層和操作系統(tǒng)層是虛、實機器的分界面。軟、硬件功能的分配，決定了虛、實機器的界面。3/18/202459利用多級層次結(jié)構(gòu)觀點，可以在設(shè)計計算機系統(tǒng)時，明確哪些功能由硬件完成，哪些功能由軟件完成。同樣還可以明確在虛機器中各層次應(yīng)完成的功能，上級應(yīng)得到下級的哪些支持。多級層次結(jié)構(gòu)觀點，對于了解掌握計算機的組成，設(shè)計一個良好的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有很大的幫助。3/18/2024601.4.3計算機硬件系統(tǒng)的組織

如何把五大基本部件互連起來構(gòu)成計算機的硬件系統(tǒng)，是計算機硬件系統(tǒng)的組織問題。在計算機的五大部件之間，有大量的信息需要傳送，如何實現(xiàn)信息的傳送，取決于數(shù)據(jù)通路的邏輯結(jié)構(gòu)。早期的計算機往往在各部件之間直接連接傳送線路，數(shù)據(jù)通路復(fù)雜、零亂，控制不便，而且沒有多少擴展余地。3/18/202461總線結(jié)構(gòu)現(xiàn)在的計算機普遍采用總線結(jié)構(gòu)。1.

總線：一組可為多個功能部件共享的公共信息傳送線路。2.

總線的使用規(guī)定

⑴共享總線的各個部件必須分時使用總線發(fā)送信息，保證總線上的信息在任何時候都是唯一的。

⑵總線上的各個部件可同時接收總線上的信息?？偩€的使用規(guī)定，保證了總線上的信息不沖突，且總線上的各部件可以共享總線信息。3/18/202462按總線的任務(wù)分(1)CPU內(nèi)部總線這是一級數(shù)據(jù)線，用于連接CPU內(nèi)部各寄存器和算術(shù)邏輯部件。在微型計算機系統(tǒng)中，CPU內(nèi)部總線也就是芯片內(nèi)的總線。(2)部件內(nèi)總線在計算機中各功能模塊插件上芯片之間的總線。屬于芯片間的總線。如內(nèi)存條、聲卡等插件上的總線。3.總線的分類3/18/202463(3)系統(tǒng)總線連接系統(tǒng)內(nèi)各大部件如CPU、主存、I/O設(shè)備等的總線，是連接整機系統(tǒng)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制/狀態(tài)總線。(4)外總線計算機系統(tǒng)之間或計算機系統(tǒng)與其它系統(tǒng)之間的通信總線。外總線往往借用電子工業(yè)領(lǐng)域已有的標準。如RS－232串行總線標準。3/18/202464按總線上信息傳送的方向分(1)單向總線

連接在總線上的部件只能有選擇地將信息進行單向傳送。如地址總線。(2)雙向總線

連接在總線上的任何部件既能通過總線發(fā)送信息，也能通過總線接受信息。如數(shù)據(jù)總線。3/18/202465采用總線結(jié)構(gòu)的好處可以大大減少系統(tǒng)中的信息傳輸線數(shù)，減輕發(fā)送部件的負載。

可以簡化硬件結(jié)構(gòu)，靈活地修改與擴充系統(tǒng)。3/18/2024664.

總線的連接方式單機系統(tǒng)中采用的總線類型(1)單總線結(jié)構(gòu)用一組系統(tǒng)總線把CPU、主存及各種I/O接口連接起來。3/18/202467總線上各設(shè)備之間（CPU與MEM、MEM與I/O、CPU與I/O、I/O與I/O）都通過單總線交換信息?？蓪/O與存儲器同等對待，統(tǒng)一進行編址?？刂坪唵危子跀U充。單總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點3/18/202468單總線結(jié)構(gòu)的缺點同一時刻只能在一對設(shè)備之間或部件之間傳送信息，因此系統(tǒng)速度受到限制。把主存與I/O設(shè)備同等對待，降低了主存的地位。因為主存與CPU間的信息傳送要比CPU與I/O設(shè)備間的信息傳送頻繁很多。3/18/202469(2)雙總線結(jié)構(gòu)①以CPU為中心的雙總線結(jié)構(gòu)采用以CPU為中心的存儲器總線和I/O總線，分別進行數(shù)據(jù)傳送。以CPU為中心的雙總線，結(jié)構(gòu)簡單，控制容易。但由于I/O設(shè)備與主存間的信息傳送都必須通過CPU進行，使CPU要花費大量時間進行信息的輸入輸出處理，從而降低了CPU的工作效率。所以只在早期的機器中使用。3/18/202470以CPU為中心的雙總線結(jié)構(gòu)3/18/202471②面向主存的雙總線結(jié)構(gòu)在單總線的基礎(chǔ)上，在CPU與主存之間增加了一組存儲器總線，CPU訪存直接通過存儲器總線實現(xiàn)，面向主存的雙總線結(jié)構(gòu)保持了單總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，同時由于通過存儲器總線訪存，提高了CPU的訪存速度，也減輕了系統(tǒng)總線的負擔。3/18/202472面向存儲器的雙總線結(jié)構(gòu)3/18/202473(3)三總線結(jié)構(gòu)在面向主存的雙總線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加I/O總線，使得CPU與主存、主存與I/O之間均具備獨立的信息傳輸通路。3/18/202474常見的三總線結(jié)構(gòu)3/18/202475總線結(jié)構(gòu)主要用于微、小型計算機中。對于中型、大型計算機系統(tǒng)的構(gòu)成，主要著重于系統(tǒng)功能的擴充和效率的提高。為了增強系統(tǒng)功能，必然要配置更多的硬件資源和軟件資源。

由于I/O設(shè)備的增多使I/O處理成為又一個十分突出的問題。許多I/O設(shè)備由于具有機械動作，其工作速度遠比CPU的速度低，因此，如何解決速度匹配問題，使CPU與I/O操作盡可能并行地工作以提高CPU的工作效率，成為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的一個關(guān)鍵問題，為此提出了“通道”的概念。3/18/2024765.通道通道是一種具有處理機功能的專門用來管理I/O操作的控制部件。具有通道的計算機系統(tǒng)通常采用主機、通道、I/O設(shè)備控制器、I/O設(shè)備四級連接方式。通道結(jié)構(gòu)具有較大的變化和擴展余地，對較小的系統(tǒng)，可將設(shè)備控制器與I/O設(shè)備合并在一起，將通道與CPU合并在一起。對較大的系統(tǒng)，則可單獨設(shè)置通道。對更大的系統(tǒng)，可將通道發(fā)展為專門的I/O處理機，甚至更強功能的前端機。3/18/2024773/18/2024781.5

計算機的特點和性能指標1.5.1計算機的工作特點1.能自動連續(xù)地工作由于計算機采用存儲程序工作方式，一旦輸入了編制好的程序，啟動計算機后，它就能按程序自動地執(zhí)行下去，直到完成預(yù)定的任務(wù)為止。除非工作本身要求采用人機對話方式，一般在運算處理過程中不需要人的直接干預(yù)。能自動連續(xù)地工作是數(shù)字計算機的一個突出特點。3/18/2024792.運算速度快由于計算機采用高速的電子器件組成硬件，能以極高的速度工作?，F(xiàn)在普通的微機每秒可執(zhí)行數(shù)十萬甚至上億次加減運算，而巨型機每秒可完成數(shù)億、數(shù)十億甚至數(shù)萬億次基本運算。隨著計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，更新的技術(shù)和更高速器件的誕生，計算機將達到更高的速度。3/18/2024803.運算精度高由于計算機采用二進制數(shù)字表示數(shù)據(jù)，因此它的精度主要取決于表示數(shù)據(jù)的二進制位數(shù)，位數(shù)越多，精度越高。所以在計算機中不僅有單字長運算，為了獲得更高的精度，還可以進行雙倍字長、多倍字長的運算。3/18/2024814.具有很強的存儲能力和邏輯判斷能力計算機的存儲器具有存儲大量信息的功能，這是數(shù)字計算機的又一主要特點。計算機的許多功能和特點也是由此派生的。由于存儲程序，所以能自動連續(xù)地工作。存儲容量大，可存儲的信息多，計算機功能就越強，使許多信息處理得以實現(xiàn)。

3/18/2024825.通用性強由于計算機具有上面一些特點，使計算機的使用具有很大的靈活性和通用性，能應(yīng)用于各個科學技術(shù)領(lǐng)域，并滲透到社會生活的各個方面。3/18/2024831.5.2計算機的性能指標1.基本字長基本字長是指參與運算的數(shù)的基本位數(shù)。字長通常是硬件組織的基本單位，它決定著寄存器、ALU、數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，因而直接影響著系統(tǒng)的硬件成本。字長標志著計算機系統(tǒng)的運算精度。3/18/202484例：要保證

i位十進制數(shù)的精度，至少要采用3.3倍i位二進制數(shù)的位數(shù)，否則精度難以滿足要求。

證：當

i位十進制數(shù)與j位二進制數(shù)比較時，如果要求10i

＝2j

則必須滿足：為了適應(yīng)不同應(yīng)用需要，兼顧精度和硬件成本，許多計算機都允許變字長運算，例如雙字長運算。常用的字長單位是字節(jié)（8位二進制數(shù)位）。字長單位通常是字節(jié)的倍數(shù)。3/18/2024852.主存容量主存儲器所能存儲的最大信息量稱為主存容量。CPU需要執(zhí)行的程序和要處理的數(shù)據(jù)都存放在主存中。主存容量大，就可以運行比較復(fù)雜的程序，并可存入大量信息，可利用更完善的軟件支撐環(huán)境。所以，計算機的處理能力在很大程度上取決于主存容量的大小。3/18/202486通常以字節(jié)數(shù)表示主存容量，如4MB，表示可存儲4M(1M＝1024K)個字節(jié)。在以字為單位的計算機中常用字數(shù)乘以字長表示主存容量，如512K×32位。1K＝210＝10241M＝220＝210K

＝10485761G＝230＝210M＝220K

＝10737418241T＝240＝210G

＝220M＝230K

＝10995116277761P

＝

250

＝

11258999068426243/18/202487由于計算機執(zhí)行不同的操作所需時間可能不同，因而對運算速度的描述常采用不同方法。①以加法指令的執(zhí)行時間為標準來計算。

例如DJSl30機一次加法時間為2μs，所以運算速度為50萬次/s。②根據(jù)不同指令在程序中出現(xiàn)的頻度，乘上不同的系數(shù)，求得系統(tǒng)平均值，得到平均運算速度。③具體指明每條指令的執(zhí)行時間。3.運算速度3/18/202488大、中型機常使用每秒平均執(zhí)行的指令條數(shù)(IPS)作為運算速度單位。如：MIPS(每秒百萬條指令)

MFLOPS(每秒百萬次浮點運算)。3/18/202489隨著計算機性能的提高，運算速度的單位也隨之增高。MFLOPS(megaFLOPS)

：

每秒百萬(106)次的浮點運算GFLOPS(gigaFLOPS)

：

每秒10億(109)次的浮點運算TFLOPS(teraFLOPS)

：

每秒萬億(1012)次的浮點運算PFLOPS(petaFLOPS)：

每秒千萬億(1015)次的浮點運算3/18/202490微型機常用主時鐘頻率反映速度的快慢。如以Intel系列的CPU為核心的微機系統(tǒng)的時鐘頻率就從4.77MHz直到目前的3.5GHz。3/18/202491InterCPUCorei7-980X制作工藝：32納米技術(shù)主頻：3.33GHz核心數(shù)量：6核線程數(shù)：12線程一級緩存：2×6×32KB二級緩存：6×256KB三級緩存：12MB3/18/202492CPU的主頻就是CPU內(nèi)核工作的時鐘頻率（CPUClockSpeed）。CPU的主頻表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號震蕩的速度，與CPU實際的運算能力并沒有直接關(guān)系。由于主頻并不直接代表運算速度，所以在一定情況下，很可能會出現(xiàn)主頻較高的CPU實際運算速度較低的現(xiàn)象。

CPU的主頻與運算速度3/18/202493目前還沒有一個確定的公式能夠定量主頻和實際的運算速度兩者的數(shù)值關(guān)系。因為CPU的運算速度不僅取決于主頻，而且還與要看CPU的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（架構(gòu)）有關(guān)。如流水線的性能指標、緩存、指令集，CPU的位數(shù)等等。計算機系統(tǒng)的速度需要將主頻和架構(gòu)綜合起來考慮。3/18/202494例：設(shè)主頻相當于百米選手的步頻，架構(gòu)相當于步幅?？梢钥吹剑?．步幅一樣大(架構(gòu)相同)，步頻快的選手跑得快。2．步頻一樣快，步幅大(架構(gòu)先進)的選手跑得快。3．步頻快，步幅大，選手成為世界百米飛人將不是天方夜譚。因此，在關(guān)注CPU性能問題時，要同時考慮架構(gòu)的先進性和主頻。注意：先進的芯片制造工藝是保證先進架構(gòu)實現(xiàn)和達成高主頻的基礎(chǔ)。3/18/202495外部設(shè)備的配置及設(shè)備性能是影響整個系統(tǒng)性能的重要因素，所以在系統(tǒng)技術(shù)說明中應(yīng)給出允許配置情況與實際配置情況。4.所配置的外部設(shè)備及其性能指